Электрофизический метод уменьшения поверхностного натяжения воды

Автор статьиФадеева Кристина Максимовна

Об авторестудентка, кафедра метрологии, приборостроения и управления качеством, механико-машиностроительный факультет Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Требования к воде, используемой в различных отраслях промышленности и в конкретных производствах, существенно различаются. Разброс требований чрезвычайно высок. Именно поэтому необходимо достаточно просто получать воду с необходимыми характеристиками. Одной из таких характеристик, изменение которой может существенно улучшить производственные процессы, при которых используется жидкость, является поверхностное натяжение.

Актуальность проекта в разработке метода с улучшенными характеристиками, используя только физическое воздействие на жидкость, обусловлена возможностью изменения ее характеристик в ряде технологических процессов традиционного применения.

Для дистиллированной воды при температуре 20⁹С величина коэффициента поверхностного натяжения σ в справочниках обозначена в пределах (71-73) * 10^-3 Н/м. Известно, что изменение температуры существенно влияет на данный коэффициент: он уменьшается прямо пропорционально росту температуры, так, например, в диапазоне от 0 до 80 ⁰С меняется от 75,5 * 10^-3 до 62,3 * 10^-3 Н/м. Данная яркая зависимость наводит на вопрос: могут ли иные физико-химические факторы существенно влиять на поверхностное натяжение воды? Ведь изменение данного параметра приводит к девиации протекающих процессов с применением воды (например, в явлениях на поверхности, гидротранспорт и т.п.). Поэтому важно отслеживать окружающие факторы, которые могут изменить коэффициент σ. Проведём обзор экспериментальной работы [1], в которой изучалось влияние на поверхностное натяжение воды внешних факторов, таких как намагничивание, воздействие электрическим разрядом, воздействие СВЧ-излучения, насыщение воздухом и озоном, обогащение металлическими ионами.

Начнем с объяснения: почему же внешние воздействия влияют на такое вещество, как вода. В результате действия внешних факторов каждая единица объема воды получает такую энергию, которая приводит к разрушению, прежде всего водородных связей. Это способствует образованию свободных радикалов или изменению свойств и структуры агрегатов — кластеров-ассоциантов и клатратов, отвечающих за физико-химические свойства воды. При этом в процессе активации длинные молекулярные цепочки (Н2О)_n (т. н. ассоцианты) разрушаются, что, и приводит к изменению величины коэффициента поверхностного натяжения σ.

Таблица 1

Значения коэффициента поверхностного натяжения питьевой водопроводной воды при различных физических воздействиях

№	Тип воды	σ(10^-3 Н/м)	α (%)
Исходные показатели различных видов воды
1	Дистиллированная вода	72,21	—
2	Питьевая водопроводная вода через 2 часа после набора	61,85	9,9
3	То же – через 24 часа (контрольная вода)	67,91	0
4	Талая вода	60,43	12,3
Химические методы воздействия на поверхностное натяжение воды
5	Вода, насыщенная воздухом	62,27	9
6	Вода, насыщенная озоном – через 10 мин	58,35	16,3
7	– через 1,5 часа	62,32	8,96
8	Серебряная вода при соотношении числа молекул N(H₂O)/N(Ag) = 10⁸	61,1	11,14
9	Серебряная вода N(H₂O)/N(Ag) = 6*10⁶	57,43	18,2
10	Серебряная вода N(H₂O)/N(Ag) = 87000	56,65	19,87
11	Медная вода N(H₂O)/N(Cu) = 10⁸	43,7	55,4
12	Медная вода N(H₂O)/N(Cu) = 6*10⁶	41,3	64,4
13	3%-ный H₂O₂	66,81	1,6
14	30%-ный H₂O₂	49,06	38,4
15	3%-ный раствор NaCl (физраствор)	55,78	21,7
Приборные методы воздействия на поверхностное натяжение воды
16	Намагниченная вода в постоянном поле (B = 3500 Гс, время воздействия поля 24 часа)	58,1	16,8
17	Воздействие переменным магнитным полем – B= 1000 Гс, f = 1000 Гц	44,32	53,2
18	Воздействие электрическим разрядом	61,8	9,8
19	Воздействие СВЧ-электромагнитными волнами – время воздействия 10 мин	62,61	8,46
20	– время воздействия 20 мин	60,30	12,3
21	– время воздействия 30 мин	57,96	17,16
Показатели жидкостей в живом организме для сравнения
22	Сыворотка крови Желчь Молоко Моча	60 48 50 66

Влияние химических методов на свойства воды безусловно значительное. Но и пагубное влияние химикатов на живые организмы известно. Использовав эти способы, получится достигнуть нужного эффекта, но, во-первых, он не продолжителен, во-вторых, методы дорогостоящие, в-третьих, вредны, в-четвертых, после применения химикатов остается много сложно утилизированных отходов.

Приборные методы воздействия делятся на влияние переменным и постоянным магнитным полем, электрическими полями и СВЧ-электромагнитными волнами. Экспериментальные результаты работы по изучению влияния внешних факторов на значение коэффициента поверхностного натяжения воды, в целом, показывают, что чем большее количество энергии (тепловой, механической, электрической, магнитной, электромагнитной) передается воде, тем заметнее уменьшается её коэффициент поверхностного натяжения σ и тем больше коэффициент ее активности.

Представляется, что перспективным является электрофизический метод воздействия на воду для уменьшения коэффициента ее поверхностного натяжения с использованием источника переменного частотно-модулированного электрического потенциала (ПЧМЭП) для снижения величины поверхностного натяжения – управления данным коэффициентом.

В случае использования металлической емкости выход генератора подключается одним концом к емкости, а второй конец подключается к металлическому электроду (например, стержневому) из нержавеющей стали, который погружается в воду. (рис. 3, а).

Эквивалентная электрическая схема нагрузки для генератора представлена на рис. 3, б.

Сигнал, испускаемый ПЧМЭП, является нелинейно-искаженным с двумя интервалами однородности, которые можно описать математическими формулами.

Первая однородность аппроксимирована синусоидой главной частоты:

Вторая описывается затухающим экспоненциальным сигналом:

где – период промышленной частоты, – момент перехода с первого интервала на второй, – номер полупериода, – коэффициент затухания.

С помощью сигнала, в первую очередь, снижается энергия в барьерах поверхности воды, приводя к изменению физической и химической природы.

Выяснено, что длительность передачи потенциала должна составлять примерно 30 минут, а эффект понижения коэффициента сохраняется на протяжении 14 дней.

С помощью генератора и электродов обеспечивается воздействие на объект слабыми электрическими переменными полями, что вызывает изменение параметра поверхностного натяжения воды. Объясняется это тем, что поля вызывают разрыв водородных связей, меняя расположение молекул в пространстве, переходя из тетраэдрической конфигурации в плоскостную.

Таким образом, установлено, что воздействие переменным частотно-модулированным электрическим потенциалом существенно понижает коэффициент поверхностного натяжения воды. Устройство можно рассматривать как прибор для управления данным параметром жидкости.

Рекомендовано практическое применение воды и растворов на ее основе, обработанных источником переменного частотно-модулированного электрического потенциала в процессе транспортировки пульпы по углепроводу.

Вода с пониженным поверхностным давлением очень хорошо подходит для получения угольной пульпы, которая может транспортироваться в углепроводе на дальние расстояния.

Гидротранспорт полезных ископаемых является одним из видов трубопроводного транспорта, который используется для транспортировки угля или руды из шахт. Суть заключается в том, что перемещаемый материал смешивается с водой, затем подается в трубопровод и транспортируется.

Географические особенности нашей страны, значительные объемы добычи и переработки топливных и сырьевых ресурсов, отдаленность мест добычи сырья от районов их потребления создают благоприятные предпосылки для создания высокопроизводительных гидротранспортных систем большой длины.

Гидротранспорт имеет большие преимущества перед другими средствами передачи энергии, в том числе перед железнодорожным транспортом и линиями электропередачи, с точки зрения защиты окружающей среды от возможного загрязнения. Трубопроводы, уложенные в грунт, полностью скрыты, а земная поверхность над ними может использоваться, поскольку в течение длительного времени трубы не нуждаются в замене (при транспортировании угольной гидросмеси). Гидравлический трубопроводный транспорт является одним из самых надежных. Его надежность выше, чем у других видов транспорта. Эффективность гидротранспортирования угля будет обеспечена при правильных технологических параметрах применения. Производительность установки, дальность транспортирования, геодезия подъема, крупность транспортируемого угля, скорость движения, консистенция, КПД транспортирующих насосов – все это должно грамотно подбираться в соответствии с заданием и технико-экономическими расчетами для максимальной полезности функционирования при минимальных затратах.

В настоящее время данный параметр изменяют, используя химические методы обработки воды, а именно введение в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ). Добавление химических реагентов сказывается на экологической составляющей, полученной смеси. Из-за низкой скорости разложения ПАВ вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Кроме того, почти все ПАВ, используемые в промышленности и домашнем хозяйстве, попадая на частички земли, песка, глины, при нормальных условиях могут высвобождать ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека. Также добавление поверхностно-активных веществ является экономически невыгодным способом. Поэтому практическое применение данного прибора для приготовления пульпы является эффективным.

Большое количество научных статей и экспериментов по улучшению свойств водоугольного топлива демонстрируют легкость в управление его физико-химическими свойствами. Использование новой технологии позволит открыть сферу экологически чистой перевозки угля.

Список литературы:

Статья «Изменение поверхностного натяжения воды под действием различных физических факторов» — Н.А. Мамедов, Г.И. Гарибов, Ш.Ш. Алекберов, Э.А. Расулов, 2014 г.
Жуков И.В., Диссертация «Технические средства и технология повышения экологической безопасности торфяно-болотных экосистем» // Санкт-Петербург, 2009 г.